木聚糖酶對全麥面團特性的影響研究

王佳玉 陳鳳蓮 湯曉智

(哈爾濱商業大學食品工程學院1，哈爾濱 150076)(南京財經大學食品科學與工程學院;江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心;江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室2，南京 210023)

全麥粉包含了胚乳、麩皮與胚芽，富含膳食纖維和各種微量元素，經常食用全谷物類食品能有效降低慢性疾病的發生率[1-2]。然而，全麥粉中大量纖維的存在會導致全麥食品的質構及感官品質下降，消費者接受程度降低[3]。研究者們嘗試了不同粉碎粒度[4]、超微粉碎、麩皮擠壓微膨化回添等方式以改善全麥面團的特性以及相應的全麥食品的品質[5]。酶制劑作為天然添加物，常用于改善小麥面團的特性，其中木聚糖酶尤其受到廣泛關注。木聚糖酶能夠通過將水不溶性阿拉伯木聚糖水解成水溶性木聚糖而有效改善高含量纖維食品的性質，如面團的流變學特性和相應烘焙食品的質量[6]。張成龍等[7]使用木聚糖酶處理小麥麩皮，結果顯示，全麥面團拉伸曲線面積、拉伸阻力減小，有效改善全麥面團的延伸度，得到的全麥面包和饅頭表現出比容增大、硬度減小，使含有麩皮的產品品質得到很大改善。Caballero等[8]使用木聚糖酶、轉谷氨酰胺酶、葡萄糖氧化酶、漆酶等酶制劑添加到小麥粉中以此來改善面團的流變特性，提高小麥粉的加工特性。Schoenlechner等[9]通過添加木聚糖酶和乳化劑來優化由小麥-小米復合面粉改善面包質量，提高其感官可接受性。基于此，本研究將木聚糖酶添加到全麥粉中，研究木聚糖酶對全麥面團的混合特性、流變特性、拉伸特性及面團微觀結構的影響，為生產高品質的全麥食品提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

全麥粉；木聚糖酶50 000 U/g，適宜溫度20～60 ℃，最適pH 4.0～5.5；硫酸銅、硫酸鉀、硫酸、硼酸、氫氧化鈉、硫酸、氫氧化鉀、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、無水乙醇。

K-360凱氏定氮分析儀；B-811索氏抽提儀；Anton Paar MCR 302動態流變儀；冷凍干燥機；TM-3000掃描電鏡；TA-XT2i 型質構分析儀。

1.2 方法

1.2.1 原料制備

木聚糖酶添加到全麥粉中，添加量為0%、0.03%、0.06%、0.10%、0.20%、0.40%，混合均勻后使用。

1.2.2 原料組分測定

水分含量(GB 5009.3—2016)、脂肪含量(GB 5009.6—2016)、灰分含量(GB 5009.4—2016)、蛋白質含量(GB 5009.5—2016)、粗淀粉含量(GB 5009.9—2008)、粗纖維含量(GB/T 5009.10—2003)、濕面筋含量(GB/T 5506.1—2008)。

1.2.3 面團混合特性

采用Mixolab實驗儀研究不同木聚糖酶添加量的全麥面團在攪拌形成、加熱糊化以及冷卻過程中的變化。參照劉俊飛等[10]的方法，將肖邦協議(Chopin+)中面團質量定為75 g。測定程序：先在30 ℃下恒溫8 min，再以4 ℃/min的速率升至90 ℃，保持7 min后以4 ℃/min的速率降溫至50 ℃，保持5 min，總時間為45 min，其攪拌速度始終為80 r/min。其中每個樣品重復3次。

1.2.4 拉伸特性

參考Liu等[11]的方法。樣品采用Mixolab混成的面團，在扭矩達1.1 Nm時取出面團，放入質構儀SMS/ KIE拉伸測定探頭的面團制備槽中，并用非黏性的聚四氟乙烯材料板壓制成2 mm× 60 mm的面團條。快速將面團條從面團制備槽中取出(槽中余下面團使用保鮮膜覆蓋，防止面團條水分散失)，放在質構儀面團的拉伸位置，探頭上升直到面團條斷裂，得到面團的抗拉伸力(g)及拉伸距離(mm)。

1.2.5 流變特性

不同木聚糖酶添加比例、不同酶反應時間對全麥面團流變特性影響的測定參考Torbica等[12]的方法，并做修改。樣品取1.2.3中Mixolab制備的面團。在扭矩達1.1 Nm時取出面團，保鮮膜包裹靜置15、45、60、90、120 min。使用Anton Paar MCR 302流變儀，采用平板直徑為25 mm(轉子：PP25)，設定平板間距為1 mm，裝載后，將面團樣品靜置10 min，以使殘余應力放松，同時使用礦物油密封面團邊緣，防止水分散失。測得樣品線性粘彈區為0.01%～1%，樣品測試溫度為25 ℃，頻率變化范圍為0.1～20 Hz，測定樣品的彈性模量(G′)、黏性模量(G″)和黏性角正切值(tanδ=G′/G″)的變化。

1.2.6 掃描電鏡

參照湯曉智等[13]的方法，取Mixolab混合的面團樣品，在扭矩達1.1 Nm時取出，面團樣品用保鮮膜包裹，靜置90 min。靜置后面團處理：①2.5%戊二醛固定；②0.1mol·L-1的磷酸緩沖液沖洗；③30%、50%、70%、90%和100%的乙醇梯度洗脫；④冷凍干燥(-80 ℃，40 h)；⑤離子濺射噴金后掃描電子顯微鏡下觀察。

1.3 數據收集和統計

采用Origin 8.5 和SPSS 16.0 數據處理軟件對數據進行分析，并用Duncan法進行顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 木聚糖酶對全麥面團混合特性的影響

全麥粉基本組分見表1。木聚糖酶對全麥粉的混合特性影響的結果見表2，由Mixolab結果可知，隨著木聚糖酶添加量的增加，全麥面團的吸水率、面團形成時間逐漸降低，面團穩定時間、呈現先減少后增加的趨勢，蛋白質弱化度上升，峰值黏度降低。Laurikainen等[14]研究發現添加木聚糖酶，吸水率、面團穩定性降低，并增加了軟化度，這些結論與本研究結果一致。水不溶性多糖會與面筋蛋白競爭水合，使得面筋蛋白水合不充分，從而減弱了面筋蛋白的交聯，不利于面筋蛋白網絡結構的形成。木聚糖酶能夠將水不溶性阿拉伯木聚糖水解成小分子的水溶性木聚糖，減弱了水不溶性多糖的水合能力，在混合過程中表現出吸水率下降，由于木聚糖酶的作用，使得面筋蛋在水合過程中阻礙減小，使得形成時間降低。但由于全麥粉中纖維大分子對面筋網絡的破壞嚴重，少量添加木聚糖酶對緩解其破壞作用不明顯，反而會一定程度降低面團的穩定時間。但當木聚糖酶添加量繼續增加時，穩定時間有所回升。由于吸水率降低，同時蛋白質充分水合后結合了體系中大部分水，在后期加熱過程中淀粉糊化可利用水減少，導致峰值粘度減小[15、16]。回生值在0.1%木聚糖酶添加量時最低，當添加量為0.4%時有顯著上升，有報道指出，木聚糖酶添加量過大會增大回生，然而其機制尚不清楚[17]。

表1 原料的基本組分質量分數(濕基/%)

表2 木聚糖酶對全麥面團混合特性的影響

注：同一列中所帶字母不同表示差異性顯著(P<0.05)，余同。

2.2 木聚糖酶對全麥面團拉伸特性的影響

木聚糖酶對全麥面團拉伸特性影響結果見表3。由拉伸結果可知，木聚糖酶添加后可以顯著(P<0.05)影響全麥面團的拉伸距離和抗拉伸力，添加量為0.10%時，較未添加木聚糖酶的全麥面團拉伸距離增加了36.06%，抗拉伸力降低了35.22%，這與Liu等[11]報道結果相似。Katina等[18]指出，木聚糖酶可以降低麩皮較高的吸水性。本研究結果表明添加木聚糖酶后吸水率下降，由于水不溶性多糖在酶的作用下降解為小分子，減弱了水合競爭，水在淀粉、蛋白質和麩皮顆粒之間的分布更加均衡，使得面筋網絡結構形成更加充分，分布也更均衡，從而減緩面團體系內面筋局部聚集，有效降低面團強度，增加其延伸性，并利于全麥面團在實際生產加工中的應用。

表3 木聚糖酶對全麥面團拉伸特性的影響

2.3 木聚糖酶對全麥面團流變特性的影響

通過在線性黏彈性范圍內進行的振蕩頻率掃描實驗來研究木聚糖酶對全麥面團樣品黏彈性的影響，結果如圖1～圖3所示。圖1、圖2中顯示了木聚糖酶不同添加量及不同酶反應時間后全麥面團彈性模量G′和黏性模量G″變化的結果。從圖1、圖2 中可以看出，相比于未添加木聚糖酶的全麥面團，添加木聚糖酶后，酶反應時間在15～60 min內，所有添加水平均顯示出更高的G′(圖1a～圖1c)和G″(圖2a～圖2c)，隨著酶反應時間的增加，所有添加量下的全麥面團彈性模量G′和黏性模量G″均逐漸下降，且變化范圍差異越來越小。

注：a～e分別代表酶反應15、45、60、90、120 min，余同。

圖2 不同木聚糖酶添加量及不同酶反應時間全麥面團黏性模量(G″)測定

圖3 不同木聚糖酶添加量及不同酶反應時間全麥面團的損耗角正切值(tanδ)

tanδ值反映了全麥面團的綜合黏彈性，tanδ值小通常代表硬的剛性面團，而tanδ值高則代表黏性面團[19]。圖3顯示了木聚糖酶不同添加量及不同酶反應時間后全麥面團tanδ變化的結果。觀察圖3，綜合酶反應時間及不同添加量來看，在添加量為0.03%時，全麥面團在不同酶反應時間均顯示出了較好的黏彈性，最有利的酶反應時間在90 min以內。酶反應時間過長，添加量過大，均會對全麥面團的黏彈性產生不利的影響。Martínez等[20]和Redgwell等[21]提出淀粉和非淀粉水解酶導致游離水的釋放并改變面團體系中的可溶性部分，這種效應在混合后立即顯現，并且在靜置松弛期間繼續反應，使得水分被面筋蛋白充分利用，進而改變了面團的黏彈性。木聚糖酶可以水解全麥粉中水不溶性阿拉伯木聚糖，釋放可溶性阿拉伯木聚糖并降低其分子量。木聚糖的大量水解使水在阿拉伯木聚糖、面筋和淀粉重新分配，得到具有適宜黏彈性的全麥面團，增加其加工利用性[22]。

圖4 添加0.03%木聚糖酶不同反應時間后全麥面團微觀結構掃描電鏡圖

2.4 木聚糖酶對全麥面團微觀結構的影響

由面團的熱機械特性和流變特性可得，木聚糖酶在添加量為0.03%時，對全麥面團的改善效果較好，選擇木聚糖酶添加量為0.03%，控制酶反應時間90 min為基礎進行全麥面團微觀結構觀察。

木聚糖酶對全麥面團微觀結構的影響結果如圖4所示，從面團掃描電鏡的結果看，未添加木聚糖酶的全麥面團(圖4a)結構中有很多裂痕和大的孔洞，可見麩皮的存在嚴重破環了面筋的連續性，面筋結構破壞嚴重，這與Gan等[23]的觀察結果一致。當木聚糖酶添加量為0.03%時，面團(圖4b)的電鏡顯示出比圖4a中的結構略好一點，但仍清楚可見面筋結構的斷裂和孔洞。在酶反應90 min后(圖4c)顯示出較圖4a更連續，孔洞更少的面筋結構。由以上結果可知，全麥粉中大量纖維的存在可能導致其與其他聚合物極大地競爭水分，破壞面團的連續性，并導致面團變弱[24]，而木聚糖酶的加入能有效改善全麥面團的面筋結構，改變面團的黏彈特性。同時，有利于面團后期的加工利用，從而賦予產品更好的品質。

3 結論

研究木聚糖酶對全麥面團的混合特性、流變特性、拉伸特性和微觀結構影響，結果表明，隨著木聚糖酶添加量的增加，全麥面團的吸水率、面團形成時間降低，面團穩定時間呈現先減少后增加的趨勢，弱化度上升，峰值粘度降低，延展性增加，因此，木聚糖酶添加可以賦予全麥面團較優的延伸性能，有效降低面團的硬度；在木聚糖酶添加量為0.03%時，全麥面團的彈性模量G′和黏性模量G″均有提高，tanδ降低，表明此添加量下可以改善面團的黏彈特性；掃描電鏡結果顯示，木聚糖酶添加量為0.03%，酶反應時間90 min時，面團面筋結構能得到有效改善。在實際生產加工中，由于不同面制品對面團特性要求有所不同，木聚糖酶對全麥面團產生的影響需要符合目標產品的生產要求，以此來選擇合適的添加量，因此，進一步需要對具體全麥產品有針對性的研究。